Investigadores del CIC nanoGUNE BRTA (San Sebastián, España), en colaboración con el Centro Internacional de Física de Donostia (San Sebastián, España) y la Universidad de Oviedo (España) emplearon una técnica de nanoimagen espectroscópica para estudiar cómo la nanoluz infrarroja, en forma de polaritones de fonón, y las vibraciones moleculares interactúan entre sí.

Las imágenes revelan que se puede lograr un fuerte acoplamiento vibratorio, que es un fenómeno que recientemente atrajo gran atención por su uso potencial para controlar las propiedades físicas y químicas fundamentales de los materiales. El resultado podría conducir al desarrollo de una plataforma novedosa para la identificación química en chip de pequeñas cantidades de moléculas y para estudiar los aspectos fundamentales de los fenómenos de acoplamiento fuerte a escala nanométrica. El trabajo ha sido publicado en Fotónica de la naturaleza .

La luz juega un papel esencial en la ciencia y la tecnología modernas, con aplicaciones que van desde la comunicación óptica rápida hasta el diagnóstico médico y la cirugía láser. En muchas de estas aplicaciones, la interacción de la luz con la materia es de fundamental importancia.

En frecuencias infrarrojas, la luz puede interactuar con moléculas a través de sus vibraciones que ocurren en frecuencias específicas de moléculas. Por esta razón, Los materiales moleculares se pueden identificar midiendo su reflexión infrarroja o espectros de transmisión. Esta tecnica, a menudo llamada espectroscopia de huellas dactilares infrarrojas, es ampliamente utilizado para el análisis de productos químicos, Sustancias biológicas y médicas.

Recientemente, Se encontró que la interacción entre la luz infrarroja y las vibraciones moleculares puede ser tan fuerte que eventualmente se modifican las propiedades del material. como conductividad y reactividad química. Este efecto, llamado acoplamiento fuerte vibracional, puede ocurrir cuando un material se coloca en una microcavidad (típicamente formada por espejos que están separados por distancias micrométricas) en la que se concentra la luz.

La fuerza de la interacción entre la luz y la materia depende en gran medida de la cantidad de materia. Como consecuencia, la interacción se debilita cuando se reduce el número de moléculas, desafiando las aplicaciones de espectroscopía infrarroja y, finalmente, impidiendo que se logre un fuerte acoplamiento vibratorio. Este problema puede superarse concentrando la luz en nanocavidades o comprimiendo su longitud de onda, lo que conduce a un confinamiento ligero.

"Se puede lograr una compresión particularmente fuerte de la luz infrarroja acoplándola a vibraciones reticulares (fonones) de capas delgadas de cristales polares de alta calidad. Este acoplamiento conduce a la formación de ondas infrarrojas, las llamadas polaritonas fonónicas, que se propagan a lo largo de la capa de cristal con una longitud de onda que puede ser más de diez veces menor que la de la onda de luz correspondiente en el espacio libre, "dice Andrei Bylinkin, primer autor de la obra.

Ahora, los investigadores han estudiado el acoplamiento entre las vibraciones de las moléculas y la propagación de polaritones de fonones. Primero, colocaron una fina capa de nitruro de boro hexagonal (menos de 100 nm de espesor) encima de las moléculas orgánicas. El nitruro de boro hexagonal es un cristal de van der Waals del que se pueden obtener fácilmente capas delgadas de alta calidad mediante exfoliación. Próximo, era necesario generar polaritones fonónicos en la fina capa de nitruro de boro. "Esto no se puede lograr simplemente iluminando la capa de nitruro de boro con luz infrarroja, debido a que el impulso de la luz es mucho menor que el impulso de los polaritones del fonón, "dice Andrei Bylinkin.

El problema del desajuste de momento se resolvió con la ayuda de la punta de metal afilada de un microscopio de campo cercano de barrido, que actúa como una antena para la luz infrarroja y la concentra en un punto infrarrojo a nanoescala en el ápice de la punta que proporciona el impulso necesario para generar polaritones de fonones. El microscopio también juega un segundo papel importante. "Nos permitió obtener imágenes de los polaritones de fonón que se propagan a lo largo del nitruro de boro mientras interactúan con las moléculas orgánicas cercanas, ", dice Rainer Hillenbrand, quien dirigió el estudio." De esa manera, podríamos observar en el espacio real cómo los polaritones del fonón se acoplan con las vibraciones moleculares, formando así polaritones híbridos, "añadió.

El conjunto de imágenes que se registraron en varias frecuencias infrarrojas alrededor de la resonancia de las vibraciones moleculares reveló varios aspectos fundamentales. Los polaritones híbridos están fuertemente atenuados a la frecuencia de la vibración molecular, lo que podría ser interesante para futuras aplicaciones de detección en chip. Las imágenes resueltas espectralmente también mostraron que las ondas se propagan con una velocidad de grupo negativa, y lo más importante, que el acoplamiento entre los polaritones del fonón y las vibraciones moleculares es tan fuerte que cae en el régimen de acoplamiento vibracional fuerte.

"Con la ayuda de cálculos electromagnéticos pudimos confirmar nuestros resultados experimentales, y predecir además que un fuerte acoplamiento debería ser posible incluso entre capas de nitruro de boro y moléculas de pocos átomos de espesor, "dice Alexey Nikitin.

La posibilidad de un fuerte acoplamiento vibracional en la escala nanométrica extrema podría utilizarse en el futuro para el desarrollo de dispositivos de espectroscopia ultrasensibles o para estudiar los aspectos cuánticos del fuerte acoplamiento vibratorio que hasta ahora no han sido accesibles.